Honderden sensoren vervangen door camera's bij dynamische tests

Wanneer ingenieurs willen begrijpen waarom een machine trilt of vervormt, maken ze doorgaans gebruik van uitgebreide meetcampagnes. Accelerometers, rekstrookjes en andere sensoren worden aan het systeem bevestigd, waardoor gegevens worden gegenereerd vanaf een beperkt aantal locaties.

Hoewel deze aanpak nog steeds waardevol is, is ze vaak duur, tijdrovend en ingrijpend. Bovendien biedt ze alleen inzicht op specifieke meetpunten, waardoor het moeilijk is om te begrijpen hoe een volledige structuur zich gedraagt.

In het kader van het DynaCam-project onderzoeken onderzoekers van FlandersMake@KULeuven een andere aanpak: het gebruik van cameragestuurde meettechnologieën om het dynamische gedrag van complete systemen op een snelle, contactloze en hoge-resolutie manier vast te leggen.

Van discrete metingen tot volledige inzichten

Bij traditionele dynamische tests wordt gebruikgemaakt van afzonderlijke sensoren die op individuele locaties informatie leveren. Bij complexe mechatronische systemen kan dit leiden tot langdurige opstellingstijden en een beperkt inzicht in het algehele gedrag van de machine.

We hebben onderzocht hoe hogesnelheidscamera’s en geavanceerde beeldverwerkingsalgoritmen dit proces kunnen transformeren. In plaats van een handvol punten te meten, leggen camera’s de beweging van een gehele structuur tegelijkertijd vast, waardoor ingenieurs zowel globale bewegingen als lokale vervormingen kunnen visualiseren.

Dit opent de deur naar:

• Snellere meetcampagnes
• Lagere instrumentatiekosten
• Niet-invasieve tests
• Hogere ruimtelijke resolutie
• Beter inzicht in complex dynamisch gedrag

Drie belangrijke technologische uitdagingen aanpakken

Het project richt zich op drie belangrijke belemmeringen die de industriële toepassing van dynamische tests met camera’s momenteel beperken.

1. Het combineren van gegevens van meerdere heterogene camera’s
   Industriële systemen zijn vaak te groot of te complex om door één enkele camera te worden vastgelegd. Binnen dit project ontwikkelen we daarom methoden die informatie combineren van meerdere heterogene camera’s die met verschillende beeldsnelheden of resoluties werken. Een belangrijke doorbraak is de ontwikkeling van zelfkalibratietechnieken die de insteltijd aanzienlijk verkorten zonder dat dit ten koste gaat van de meetnauwkeurigheid. Het project heeft ook workflows ontwikkeld waarmee synchrone en asynchrone framecamera’s, zoals eventcamera’s, kunnen samenwerken, wat leidt tot een flexibelere en kosteneffectievere meetopstelling.
2. Beweging scheiden van vervorming
   Inzicht in het verschil tussen beweging van starre lichamen en structurele vervorming is cruciaal voor het diagnosticeren van dynamische problemen. DynaCam heeft toolboxen voor bewegingsregistratie ontwikkeld die beide soorten informatie uit camerametingen kunnen extraheren. De methoden zijn al gedemonstreerd in industriële toepassingen, zoals weefmachines en draaiende banden. Deze technieken stellen ingenieurs in staat om trillingsmodi te identificeren, vervormingspatronen te analyseren en dieper inzicht te krijgen in het gedrag van systemen zonder afhankelijk te zijn van uitgebreide sensornetwerken.
3. Uitbreiding van het frequentiebereik door middel van sensorfusie
   Een beperking van conventionele camera’s is dat hun beeldsnelheid het frequentiebereik dat kan worden geanalyseerd, kan beperken. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, combineren we camerametingen met gegevens van afzonderlijke sensoren, zoals versnellingsmeters. Met behulp van geavanceerde sensorfusietechnieken, waaronder Kalman-filtering, kunnen onderzoekers hoogfrequente bewegingen met grotere nauwkeurigheid reconstrueren. De eerste resultaten laten een aanzienlijke vermindering van meetfouten zien, wat het potentieel van hybride meetbenaderingen voor dynamische analyse aantoont.

Eventcamera’s: een veelbelovende nieuwe technologie

Een van de meest innovatieve aspecten van ons onderzoek is het gebruik van eventcamera’s.

In tegenstelling tot conventionele camera's die met vaste tussenpozen volledige beelden vastleggen, registreren gebeurteniscamera's alleen veranderingen in de lichtintensiteit. Dit resulteert in:

• Een extreem hoge temporele resolutie
• Geen bewegingsonscherpte
• Lagere datavolumes
• Een hoog dynamisch bereik

Deze kenmerken maken gebeurteniscamera's bijzonder aantrekkelijk voor trillingsanalyse en het volgen van snelle bewegingen.

Het project onderzoekt hoe gegevens van gebeurteniscamera's kunnen worden gecombineerd met metingen van conventionele camera's om de sterke punten van beide technologieën te benutten en tegelijkertijd hun individuele beperkingen te compenseren.

Op weg naar digital twins en voorspellende techniek

DynaCam gaat verder dan alleen het meten en creëert nieuwe mogelijkheden voor modelidentificatie en de ontwikkeling van digitale tweelingen.

Het project heeft methodologieën ontwikkeld die gebruikmaken van camerametingen om multibody-modellen rechtstreeks uit het waargenomen systeemgedrag te identificeren.

Onderzoekers hebben bovendien visualisatietools ontwikkeld die gemeten vervormingen over fotorealistische 3D-modellen heen leggen, waardoor de resultaten gemakkelijker te interpreteren en te communiceren zijn.

Industriële validatie is al in volle gang

De ontwikkelde methodologieën worden momenteel al geëvalueerd in samenwerking met industriële partners, waaronder Atlas Copco, SEW-Eurodrive en Siemens.

Om de industriële toepassing te vergemakkelijken, hebben de onderzoekers ook een platform ontwikkeld dat richtlijnen en rekenhulpmiddelen biedt ter ondersteuning van de voorbereiding van dynamische metingen op basis van camera's. Het omvat de „DynaCam Camera Configurator“, die het gezichtsveld, de scherptediepte en de meetnauwkeurigheid schat op basis van cameraparameters en positionering.

De feedback van de gebruikersgroep bevestigt de relevantie van het project en benadrukt het potentieel voor praktische industriële toepassing.

Vooruitblik

Halverwege het project hebben we al aangetoond dat dynamische tests met camera’s een waardevol alternatief kunnen bieden voor traditionele, sensorintensieve meetcampagnes.

De volgende fase zal zich richten op het verder verbeteren van bewegingsregistratie, het uitbreiden van sensorfusietechnieken en het integreren van de ontwikkelde “DynaCam Camera Configurator” in de Flanders Make Solutions Hub.

Uiteindelijk streeft DynaCam ernaar dynamische tests sneller, toegankelijker en informatiever te maken, waardoor fabrikanten dieper inzicht krijgen in het gedrag van hun producten en tegelijkertijd de testinspanningen en -kosten kunnen verminderen.

Kortom: door camera’s om te vormen tot meetinstrumenten helpt DynaCam de industrie de overstap te maken van schaarse sensorgegevens naar dynamische informatie over het volledige veld.